JP2016074933A - Stabilized lithium composite powder, negative electrode using the same, and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、安定化リチウム複合粉末、およびそれを用いた負極およびリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a stabilized lithium composite powder, and a negative electrode and a lithium ion secondary battery using the same.
正極にコバルト酸リチウムに代表されるリチウム含有遷移金属酸化物、負極にリチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料を用いたリチウムイオン二次電池を代表とする電気化学デバイスは、高エネルギー密度を有するという特徴から携帯電話に代表される携帯電子機器の電源として重要なものであり、これら携帯電子機器の急速な普及に伴いその需要は高まる一方である。 Electrochemical devices typified by lithium-ion secondary batteries using a lithium-containing transition metal oxide typified by lithium cobaltate as the positive electrode and a carbon material that can be doped / undoped with lithium as the negative electrode have a high energy density. Therefore, it is important as a power source for portable electronic devices typified by mobile phones, and the demand for these portable electronic devices is increasing with the rapid spread of these portable electronic devices.
また、ハイブリッド自動車など、環境対応を意識した自動車が数多く開発されているが、搭載される電源の一つとして、高エネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が大きく注目されている。 In addition, many automobiles that are environmentally conscious, such as hybrid cars, have been developed, but lithium ion secondary batteries having a high energy density have attracted a great deal of attention as one of the power sources to be mounted.
リチウムイオン二次電池の容量は主に電極の活物質に依存する。負極活物質には、一般に黒鉛が利用されているが、上記の要求に対応するためにはより高容量な負極活物質を用いることが必要である。そのため、黒鉛の理論容量（３７２ｍＡｈ／ｇ）に比べてはるかに大きな理論容量（４２１０ｍＡｈ／ｇ）をもつ金属シリコン（Ｓｉ）が注目されている。 The capacity of the lithium ion secondary battery mainly depends on the active material of the electrode. In general, graphite is used as the negative electrode active material, but it is necessary to use a higher capacity negative electrode active material in order to meet the above requirements. Therefore, metallic silicon (Si) having a much larger theoretical capacity (4210 mAh / g) than the theoretical capacity of graphite (372 mAh / g) has attracted attention.
このようなリチウムイオン二次電池の性能向上化手段の一つとして、リチウムオン蓄電デバイスの主に負極に対して予めリチウムイオンをドープすることによりリチウムイオン蓄電デバイス内の電極の不可逆容量を抑制するプレドープ技術が知られている。 As one of the means for improving the performance of such a lithium ion secondary battery, the irreversible capacity of the electrode in the lithium ion electricity storage device is suppressed by previously doping lithium ions mainly on the negative electrode of the lithium on electricity storage device. Pre-doping technology is known.
例えば、集電体に貫通孔のある孔開き箔を使用した垂直プレドープ法が特許文献１に記載されている。垂直プレドープ法では、正極、負極の他に、正極や負極にリチウムイオンを供給するための第３極を用いる。
For example,
この垂直プレドープ法は、通常のリチウムイオン蓄電デバイスよりも製造工程が複雑になり時間とコストが必要となる。 In the vertical pre-doping method, the manufacturing process is more complicated than that of a normal lithium ion electricity storage device, and time and cost are required.
また、正極合材層や負極合材層全体にリチウム箔を用いて導入する手法も存在するが、リチウムは柔らかいため均等に貼り付けるのが非常に困難である。また、この作業そのもののハンドリング性が低いことから、量産時の生産性に影響が出る可能性がある。 There is also a method of introducing the positive electrode mixture layer or the entire negative electrode mixture layer using a lithium foil. However, since lithium is soft, it is very difficult to apply evenly. In addition, since the handling of the work itself is low, the productivity during mass production may be affected.
これらを解決する手段として、リチウム粉末を利用し、その粉末を溶液塗布してプレドープを行う方法が提案されている（特許文献２参照）。 As means for solving these problems, a method has been proposed in which lithium powder is used, and the powder is applied as a solution to perform pre-doping (see Patent Document 2).
このようなリチウム粉末を利用したプレドープ方法は、リチウム粉末の安定性の悪さから、安定化処理したものも開発されている。リチウム粉末の安定化処理方法としては、金属リチウム粉末の表面に安定性の高い物質、例えば、ＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）、ＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）等の有機ゴム、ＥＶＡ（エチレンビニルアルコール共重合樹脂）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＥＯ（ポリエーテル）等の有機樹脂や、金属化合物等の無機化合物で金属リチウム粒子を被覆した安定化リチウム粒子を使用する方法が挙げられる。 As such a pre-doping method using lithium powder, a stabilized treatment has been developed due to the poor stability of lithium powder. As a method for stabilizing lithium powder, a material having high stability on the surface of metal lithium powder, for example, organic rubber such as NBR (nitrile butadiene rubber) and SBR (styrene butadiene rubber), EVA (ethylene vinyl alcohol copolymer resin) ), Organic resins such as PVDF (polyvinylidene fluoride) and PEO (polyether), and methods using stabilized lithium particles coated with metal lithium particles with an inorganic compound such as a metal compound.
これらの安定化リチウム粒子を用いることで、大気中やトルエン、キシレン等の溶媒中でも安定化し、また露点がマイナス４０℃程度のドライルームにおいてもリチウムの変質を防止できる。またプレドープ時に、リチウムと負極活物質との間の過度な反応が抑制されるため、この反応により生じる発熱量を低減できる。 By using these stabilized lithium particles, it can be stabilized in the air or in a solvent such as toluene or xylene, and lithium alteration can be prevented even in a dry room having a dew point of about minus 40 ° C. Further, since excessive reaction between lithium and the negative electrode active material is suppressed during pre-doping, the amount of heat generated by this reaction can be reduced.
しかしながら、被覆部として有機系高分子を使用した場合、電池中において電解液にさらされることで、被覆部が溶出し電池性能の低下を招く恐れがある。特に高温環境下や高電位下では、溶出や反応性が増すことでその影響が顕著になる。一方、リチウム炭酸塩や酸化リチウム等の無機化合物等でリチウム金属を被覆したものは、その保護層の性質から、均一な塗布には工夫が必要である。塗布方法によっては上記リチウム粉末の負極へのドープムラが起こりやすく、安定した十分な電池特性が十分に得られていないことがある。上記課題に鑑み、本発明では優れた電池性能を維持しつつ、負極へのドープムラを改善することを目的とした。 However, when an organic polymer is used as the covering portion, the covering portion may be eluted by being exposed to the electrolytic solution in the battery, leading to a decrease in battery performance. In particular, in a high temperature environment or at a high potential, the effect becomes significant due to increased elution and reactivity. On the other hand, in the case where a lithium metal is coated with an inorganic compound such as lithium carbonate or lithium oxide, it is necessary to devise uniform coating due to the nature of the protective layer. Depending on the coating method, uneven doping of the lithium powder to the negative electrode tends to occur, and stable and sufficient battery characteristics may not be sufficiently obtained. In view of the above problems, an object of the present invention is to improve the uneven doping of the negative electrode while maintaining excellent battery performance.
本発明者らは、電池特性とドープムラを改善した電極を作製させるべく鋭意検討を重ねた結果、リチウム粒子の表面に被膜を有する安定化リチウム粒子と、イオン液体が構成可能なアニオンとのリチウム塩との複合粉末を用いることにより達成できることを見出した。本発明を用いることにより、面内のプレドープムラが改善し高い電池特性を得ることができることを見出した。 As a result of intensive investigations for producing an electrode with improved battery characteristics and doping unevenness, the present inventors have found that a lithium salt of stabilized lithium particles having a coating on the surface of lithium particles and an anion capable of forming an ionic liquid. It was found that this can be achieved by using a composite powder. It has been found that by using the present invention, in-plane pre-doping unevenness is improved and high battery characteristics can be obtained.
前記イオン液体が構成可能なアニオンとのリチウム塩は、高いイオン導電性を有する。そのリチウム塩が、安定化リチウム粒子と混合されることにより、電極面に一度に大量の安定化リチウム粒子が塗布されても、リチウム塩のイオン導電性の拡散促進効果により速やかに電極へのリチウムのドープが生じ、ドープ効率が非常に高い。またドープ時のリチウム金属の失活を防ぎ、面内のドープムラが改善し高い電池特性を得ることが同時に可能となる。 The lithium salt with an anion that can form the ionic liquid has high ionic conductivity. When the lithium salt is mixed with the stabilized lithium particles, even if a large amount of stabilized lithium particles are applied to the electrode surface at once, the lithium salt can be quickly applied to the electrode due to the diffusion promoting effect of the ionic conductivity of the lithium salt. And the doping efficiency is very high. In addition, lithium metal deactivation during doping can be prevented, and in-plane doping unevenness can be improved and high battery characteristics can be obtained at the same time.
前記リチウム塩は安定化リチウム複合粉末の全体の重量に対して０．５重量％以上５重量％以下であることが好ましい。かかる複合粉末により作製された負極を用いることで、面内のドープムラが改善し高い電池特性を得ることができる。 The lithium salt is preferably 0.5% by weight or more and 5% by weight or less based on the total weight of the stabilized lithium composite powder. By using a negative electrode made of such a composite powder, in-plane doping unevenness can be improved and high battery characteristics can be obtained.
また、イオン液体が構成可能なアニオンの種類としては、マイナス３５〜プラス１００℃の範囲に融点をもち、イオン導電性を有し、一般に不揮発であるイオン液体が構成可能であるアニオンであればその種類は問わないが、、臭素アニオン（Ｂｒ−）、四フッ化ホウ素アニオン（ＢＦ４ −）、六フッ化リンアニオン（ＰＦ６ −）、ビス（フルオロスルホニル）イミドアニオン（ＦＳＩ−）、ビス（パーフルオロエチルスルホニル）イミドアニオン（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ−、トリフルオロスルホニルアニオン（ＣＦ３ＳＯ３ −）、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドアニオン（Ｎ（ＳＯ２ＣＦ３）２ −、ＴＦＳＩ−）、トリス（パーフルオロアルキル）トリフルオロホスフェートアニオン、エチルスルファートアニオンの群から選ばれる少なくとも１種のアニオンとのリチウム塩であることが好ましい。 The type of anion that the ionic liquid can constitute is an anion that has a melting point in the range of minus 35 to plus 100 ° C., has ionic conductivity, and can generally constitute a non-volatile ionic liquid. The type is not limited, but bromine anion (Br − ), boron tetrafluoride anion (BF 4 − ), phosphorus hexafluoride anion (PF 6 − ), bis (fluorosulfonyl) imide anion (FSI − ), bis ( Perfluoroethylsulfonyl) imide anion (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N − , trifluorosulfonyl anion (CF 3 SO 3 − ), bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion (N (SO 2 CF 3 ) 2 − , TFSI -), tris (perfluoroalkyl) trifluoro phosphate anion, Echirusurufu It is preferably a lithium salt with at least one anion selected from the group of the gate anions.
さらに前記リチウム塩は、フッ素を含有していることが好ましい。 Further, the lithium salt preferably contains fluorine.
上記安定化リチウム複合粉末を用いリチウムのドーピングが施された負極であれば、面内のドープムラが改善し高い電池特性を得ることができる。 If the negative electrode is doped with lithium using the stabilized lithium composite powder, in-plane doping unevenness is improved and high battery characteristics can be obtained.
また、上記安定化リチウム複合粉末を用いリチウムのドーピングが施された負極と、正極と、電解質と、を有するリチウムイオン二次電池においては、十分なドーピング効果により優れた電池特性を持った電池を提供できる。 Further, in a lithium ion secondary battery having a negative electrode doped with lithium using the above stabilized lithium composite powder, a positive electrode, and an electrolyte, a battery having excellent battery characteristics due to a sufficient doping effect is obtained. Can be provided.
本発明の安定化リチウム複合粉末、それを用いた負極およびリチウムイオン二次電池によれば、負極へのドープムラを改善できると共に、それを用いた負極及びリチウムイオン二次電池によれば高い電池特性を得ることが可能となる。 According to the stabilized lithium composite powder of the present invention, the negative electrode using the same and the lithium ion secondary battery, the doping unevenness to the negative electrode can be improved, and according to the negative electrode and the lithium ion secondary battery using the same, high battery characteristics are obtained. Can be obtained.
以下、本発明について本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.
（安定化リチウム複合粉末）
安定化リチウム複合粉末は図１に示す粒子により構成される。この粉末は、安定化リチウム粒子１とイオン液体が構成可能なアニオンとのリチウム塩２から構成され、図１に示すような２次粒子を構成している。
また、複合させる安定化リチウム粒子も平均粒径が１〜２００μｍであることが好ましい。
なお、測定方法としては、不活性ガスまたは炭化水素油中等の不活性雰囲気下での光学顕微鏡、電子顕微鏡、粒度分布計等により安定した測定が可能である。
(Stabilized lithium composite powder)
The stabilized lithium composite powder is composed of the particles shown in FIG. This powder is composed of a
The stabilized lithium particles to be combined preferably have an average particle size of 1 to 200 μm.
In addition, as a measuring method, stable measurement is possible with an optical microscope, an electron microscope, a particle size distribution meter or the like under an inert atmosphere such as in an inert gas or hydrocarbon oil.
イオン液体が構成可能なアニオンの種類としては、マイナス３５〜プラス１００℃の範囲に融点をもち、イオン導電性を有し、一般に不揮発であるイオン液体が構成可能であるアニオンであればその種類は問わないが、臭素アニオン（Ｂｒ−）、四フッ化ホウ素アニオン（ＢＦ４ −）、六フッ化リンアニオン（ＰＦ６ −）、ビス（フルオロスルホニル）イミドアニオン（ＦＳＩ−）、ビス（パーフルオロエチルスルホニル）イミドアニオン（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ−、トリフルオロスルホニルアニオン（ＣＦ３ＳＯ３ −）、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドアニオン（Ｎ（ＳＯ２ＣＦ３）２ −、ＴＦＳＩ−）、トリス（パーフルオロアルキル）トリフルオロホスフェートアニオン、エチルスルファートアニオンが挙げられ、特にビス（パーフルオロエチルスルホニル）イミドアニオン（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ−、トリフルオロスルホニルアニオン（ＣＦ３ＳＯ３ −）、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドアニオン（Ｎ（ＳＯ２ＣＦ３）２ −、ＴＦＳＩ−）、トリス（パーフルオロアルキル）トリフルオロホスフェートアニオン、エチルスルファートアニオンのような有機系アニオンが好ましい。このようなアニオンからなるリチウム塩は耐熱安定性や水分安定性が高いものも多く、電池効率およびプレドープの安定性上好ましい。
この安定化リチウム複合粉末によれば、取り扱い性に優れ、露点マイナス４０℃程度のドライルームで取り扱うことが可能である。
The type of anion that can be constituted by an ionic liquid is an anion that has a melting point in the range of minus 35 to plus 100 ° C., has ionic conductivity, and can generally constitute a non-volatile ionic liquid. It does not matter, bromine anion (Br − ), boron tetrafluoride anion (BF 4 − ), phosphorus hexafluoride anion (PF 6 − ), bis (fluorosulfonyl) imide anion (FSI − ), bis (perfluoroethyl) Sulfonyl) imide anion (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N − , trifluorosulfonyl anion (CF 3 SO 3 − ), bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion (N (SO 2 CF 3 ) 2 − , TFSI − ) , Tris (perfluoroalkyl) trifluorophosphate anion, ethyl sulfate In particular, bis (perfluoroethylsulfonyl) imide anion (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N − , trifluorosulfonyl anion (CF 3 SO 3 − ), bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion (N ( sO 2 CF 3) 2 -, TFSI -), tris (perfluoroalkyl) trifluoro phosphate anion, it is organic anions such as ethyl sulfate anion preferred. Many lithium salts composed of such anions have high heat stability and moisture stability, and are preferable in terms of battery efficiency and pre-dope stability.
According to this stabilized lithium composite powder, it is excellent in handleability and can be handled in a dry room having a dew point of minus 40 ° C.
前記安定化リチウム複合粉末中の安定化リチウム粒子の安定化層は、リチウム粉末が被覆されている量があれば問題はないが、安定化リチウム複合粉末全体の重量に対し０．５重量％以上１０重量％以下であることが好ましい。より好ましくは、１．０重量％以上８．５重量％以下、より好ましくは１．０重量％以上５．０重量％以下である。この範囲において、負極作製時に過度の発熱による負極の損失を減らせ、負極面内のドープムラが改善し、高い電池特性を得ることができる電極の作製が可能となる。 The stabilization layer of the stabilized lithium particles in the stabilized lithium composite powder has no problem as long as the amount covered with the lithium powder is present, but 0.5% by weight or more based on the total weight of the stabilized lithium composite powder. It is preferable that it is 10 weight% or less. More preferably, they are 1.0 weight% or more and 8.5 weight% or less, More preferably, they are 1.0 weight% or more and 5.0 weight% or less. In this range, it is possible to reduce the loss of the negative electrode due to excessive heat generation during the production of the negative electrode, improve the doping unevenness in the negative electrode surface, and produce an electrode capable of obtaining high battery characteristics.
前記安定化リチウム複合粉末中のリチウム粉末の安定化層は、単一成分でなくてもよい。またリチウム粒子上に積層されていても、点在していても良い。 The stabilization layer of the lithium powder in the stabilized lithium composite powder may not be a single component. Moreover, it may be laminated | stacked on the lithium particle, or may be scattered.
本実施形態の複合粉末を作製する際の安定化リチウム粒子の安定化層は電池の使用に支障のない安定化層であればよく、有機物、無機物、固体、液体であることは特に限定されない。 The stabilization layer of the stabilized lithium particles when producing the composite powder of the present embodiment is not particularly limited as long as it is a stabilization layer that does not hinder the use of the battery, and is organic, inorganic, solid, or liquid.
前記安定化リチウム複合粉末中の安定化リチウム粒子の安定化層は電池特性に影響が出ない範囲であれば、層厚に制限はない。また、層の厚みが一定である必要もなく、形状も様々な状態で使用可能である。 The thickness of the stabilizing layer of the stabilized lithium particles in the stabilized lithium composite powder is not limited as long as the battery characteristics are not affected. Further, the thickness of the layer does not need to be constant, and the shape can be used in various states.
なお、リチウム粒子の表面に被膜を有する安定化リチウム粒子と、イオン液体が構成可能なアニオンとのリチウム塩との複合粉末の組成に関しては固体ＬｉＮＭＲでの定量や、Ｘ線光電子分光分析やＸ線回折等を利用して粉末に存在する化合物の同定や定量化することが可能である。 Regarding the composition of the composite powder of stabilized lithium particles having a coating on the surface of the lithium particles and a lithium salt of an anion capable of forming an ionic liquid, determination by solid LiNMR, X-ray photoelectron spectroscopy analysis, X-ray It is possible to identify and quantify the compounds present in the powder using diffraction or the like.
さらに上記複合粉末を用い負極にリチウムドーピングを施した負極であれば、面内のプレドープムラが改善することが可能となる。さらにこの電極は、優れた電池特性を生じる電極を提供することが可能となる。 Furthermore, if the negative electrode is obtained by using the above composite powder and lithium-doped on the negative electrode, in-plane pre-doping unevenness can be improved. Furthermore, this electrode can provide an electrode that produces excellent battery characteristics.
（リチウム粒子の表面に被膜を有する安定化リチウム粒子と、イオン液体が構成可能なアニオンとのリチウム塩との複合粉末の製造方法）
本実施形態の安定化リチウム粒子は、リチウム金属を炭化水素油中でその融点以上の温度まで加熱し、溶融リチウムを高速撹拌することでなるリチウム分散液に安定化層を形成するための、たとえば高純度炭酸ガスのような各種反応化剤と反応させて安定化リチウム粒子が作製される。これをさらに市販、合成品等のイオン液体が構成可能なアニオンとのリチウム塩を加えて、乾式または湿式の混合器において十分に均一混合化させることで、リチウム粒子の表面に被膜を有する安定化リチウム粒子と、イオン液体が構成可能なアニオンとのリチウム塩との複合粉末を製造することができる。
(Method for producing a composite powder of stabilized lithium particles having a coating on the surface of lithium particles and a lithium salt of an anion capable of forming an ionic liquid)
The stabilized lithium particles of the present embodiment are used to form a stabilization layer in a lithium dispersion obtained by heating lithium metal to a temperature equal to or higher than its melting point in hydrocarbon oil and stirring the molten lithium at a high speed. Stabilized lithium particles are produced by reacting with various reactive agents such as high purity carbon dioxide. Stabilization with a coating on the surface of lithium particles by adding a lithium salt with anion that can form an ionic liquid such as a commercial product or a synthetic product and mixing it sufficiently uniformly in a dry or wet mixer A composite powder of lithium particles and a lithium salt of an anion that can form an ionic liquid can be produced.
本発明の複合粉末中の安定化リチウム粒子を作製するために必要な炭化水素油は、多様な炭化水素油を使用することができる。本明細書中で使用される炭化水素油とは、主に炭化水素混合物からなる種々の油性液体を含み、鉱油、即ち油と認識される粘度制限を有する鉱物起源の液体産物を含み、従って、石油、ケツ岩油、パラフィン油等を含むが、これらに限定はされない。典型的な炭化水素油は、例えば、三光化学工業社製の流動パラフィン、Ｓタイプ、工業用タイプ、ＭＯＲＥＳＣＯ社の商品名：モレスコホワイトＰ−４０、Ｐ−５５、Ｐ−６０、Ｐ−７０、Ｐ−８０、Ｐ−１００、Ｐ−１２０、Ｐ−１５０、Ｐ−２００、Ｐ−２６０、Ｐ−３５０Ｐや、カネダ社製のハイコールＭシリーズ（ハイコールＭ−５２、ハイコールＭ−７２、ハイコールＭ−１７２、ハイコールＭ−３５２、Ｋシリーズ（ハイコールＫ−１４０Ｎ、ハイコールＫ−１６０、ハイコールＫ−２３０、ハイコールＫ−２９０、ハイコールＫ−３５０、およびハイコールＥ−７ のような炭化水素油である。これらに限らずリチウム又はナトリウム金属の融点以上で沸騰する精製炭化水素溶媒であれば使用できる。 Various hydrocarbon oils can be used as the hydrocarbon oil necessary for producing the stabilized lithium particles in the composite powder of the present invention. As used herein, hydrocarbon oils include various oily liquids consisting primarily of hydrocarbon mixtures, including mineral oils, i.e., liquid products of mineral origin with viscosity limitations recognized as oils, and therefore Including but not limited to petroleum, shale oil, paraffin oil and the like. Typical hydrocarbon oils are, for example, liquid paraffin manufactured by Sanko Chemical Co., Ltd., S type, industrial type, trade names of MORESCO: Moresco White P-40, P-55, P-60, P-70 , P-80, P-100, P-120, P-150, P-200, P-260, P-350P, High Call M series (High Call M-52, High Call M-72, High Call M, manufactured by Kaneda) -172, High Coal M-352, K series (High Coal K-140N, High Coal K-160, High Coal K-230, High Coal K-290, High Coal K-350, and High Coal E-7). Not limited to these, any purified hydrocarbon solvent boiling above the melting point of lithium or sodium metal can be used.
上記炭化水素油は、リチウムインゴットを１重量部としたとき、溶融後の均一分散性の観点から１〜５０重量部であることが好ましく、２〜３０重量部であることがより好ましい。 The hydrocarbon oil is preferably 1 to 50 parts by weight, and more preferably 2 to 30 parts by weight from the viewpoint of uniform dispersibility after melting when the lithium ingot is 1 part by weight.
本発明の複合粉末中の安定化リチウム粒子を作製するために必要な温度は、リチウム金属が溶融する温度以上であることが好ましい。具体的には、１９０℃〜２５０℃、好ましくは１９５℃〜２４０℃、より好ましくは２００℃〜２２０℃である。低すぎるとリチウムが固体化しリチウムの粉末の製造が困難となり、温度が高すぎると炭化水素油の種類によっては気化が起こり、製造上扱いにくくなるためである。 The temperature necessary for producing the stabilized lithium particles in the composite powder of the present invention is preferably equal to or higher than the temperature at which lithium metal melts. Specifically, it is 190 degreeC-250 degreeC, Preferably it is 195 degreeC-240 degreeC, More preferably, it is 200 degreeC-220 degreeC. If the temperature is too low, lithium is solidified, making it difficult to produce lithium powder. If the temperature is too high, vaporization may occur depending on the type of hydrocarbon oil, making it difficult to handle in production.
本発明の複合粉末中の安定化リチウム粒子を作製するために必要な撹拌能力は、その容器サイズや処理量にもよるが、所望の粒径が得られる撹拌方法であれば、撹拌装置を限定する必要はなく、様々な撹拌、分散機での微粒子化が可能である。 The stirring ability necessary for producing the stabilized lithium particles in the composite powder of the present invention depends on the container size and the processing amount, but the stirring device is limited as long as the stirring method can obtain a desired particle size. It is not necessary to make a fine particle with various agitators and dispersers.
図２に本実施形態のリチウムイオン二次電池の模式断面図を示す。上記の通り作製した安定化リチウム粒子を負極集電体２２に形成した負極活物質層２４上に塗布することでリチウムを負極にドーピングできる。
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the lithium ion secondary battery of the present embodiment. Lithium can be doped into the negative electrode by applying the stabilized lithium particles produced as described above onto the negative electrode
このようにしてドーピングした負極２０と、正極１０と、電解質を含浸させたセパレータ１８とを図２のように作製することでリチウムイオン二次電池１００を作製することができる。
ここで、正極１０は、正極集電体１２上に正極活物質層１４を形成することで作製することができる。
なお、図面中６０と６２は、それぞれ正極と負極の引出し電極を示す。
The lithium ion
Here, the
In the drawings,
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.
［実施例１］
市販されているリチウム金属１０ｇを乾燥アルゴンの雰囲気下中、室温で、ステンレススチール製フラスコ反応器に装入した。反応器をオイルバスにより熱制御が可能になるように設置した。反応器内に市販されている流動パラフィンハイコールＫ−２９０（カネダ社製）５０ｇを添加した。次に、ホットスターラーを用いて反応器を約２００℃まで加熱し、攪拌機を用いて目視において金属が溶融したのを確認した。次いで、攪拌機を用いて激しく撹拌することでリチウム金属が微粒子化し、その状態で高純度の炭酸ガスを１００ｍｌ／ｍｉｎの流速で約２分間添加した。加熱を止め混合物が約４５℃に冷却するまで撹拌を続けた。次いで、分散液をビーカーに移した。更に、そのリチウム分散液をヘキサンで３度濾過洗浄し、炭化水素油媒体を除去した。ろ物をオーブンで乾燥させ、微量の溶媒を除去し、生じた自由流動性の粉末を貯蔵瓶に移して安定化リチウム粒子全体に対し１．０重量％炭酸リチウムの安定化層を有する安定化リチウム粒子を作製した。この安定化リチウム粒子にリチウム塩を有する粒子種として市販されているビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドリチウムを安定化リチウムの重量に対して０．５重量％添加し、ペイントシェーカーを用いて充分に混合させて、安定化リチウム複合粉末を得た。
[Example 1]
10 g of commercially available lithium metal was charged into a stainless steel flask reactor at room temperature in an atmosphere of dry argon. The reactor was installed so that heat control was possible with an oil bath. In the reactor, 50 g of liquid paraffin high coal K-290 (manufactured by Kaneda) marketed was added. Next, the reactor was heated to about 200 ° C. using a hot stirrer, and it was confirmed visually that the metal was melted using a stirrer. Next, vigorous stirring using a stirrer made fine particles of lithium metal, and in this state, high-purity carbon dioxide gas was added at a flow rate of 100 ml / min for about 2 minutes. Heating was stopped and stirring was continued until the mixture cooled to about 45 ° C. The dispersion was then transferred to a beaker. Further, the lithium dispersion was filtered and washed three times with hexane to remove the hydrocarbon oil medium. The filtrate is dried in an oven, traces of solvent are removed, the resulting free-flowing powder is transferred to a storage bottle and stabilized with a 1.0 wt% lithium carbonate stabilization layer based on the total stabilized lithium particles Lithium particles were prepared. 0.5% by weight of bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium, which is commercially available as a particle type having a lithium salt, is added to the stabilized lithium particles with respect to the weight of the stabilized lithium and mixed thoroughly using a paint shaker. To obtain a stabilized lithium composite powder.
＜負極の作製＞
負極活物質（酸化シリコン）５０質量部、導電助剤としてアセチレンブラック１質量部、バインダとしてポリアミドイミド１０質量部、及び溶剤としてＮ−メチルピロリドン３９質量部を混合し、活物質層形成用のスラリーを調製した。このスラリーを、集電体として厚さ１４μｍの銅箔の一面に塗布した後、上記複合粉末を安定化リチウム粒子を加えた負極活物質の塗布量が２．０ｍｇ／ｃｍ２となるようにジエチルカルボナート（ＤＥＣ）の１質量部安定化リチウム分散液を塗布し、１００℃で乾燥することで負極活物質層を形成した。その後、ローラープレスにより集電体上に形成した負極活物質層を加圧成形し、真空中、３５０℃で３時間熱処理することで、活物質層の厚さが２２μｍである負極を得た。
<Production of negative electrode>
A slurry for forming an active material layer by mixing 50 parts by mass of a negative electrode active material (silicon oxide), 1 part by mass of acetylene black as a conductive additive, 10 parts by mass of polyamideimide as a binder, and 39 parts by mass of N-methylpyrrolidone as a solvent. Was prepared. This slurry was applied as a current collector to one surface of a copper foil having a thickness of 14 μm, and then the composite powder was added to the negative electrode active material to which stabilized lithium particles were added so that the coating amount of the negative electrode active material was 2.0 mg / cm 2. A 1 part by mass stabilized lithium dispersion of carbonate (DEC) was applied and dried at 100 ° C. to form a negative electrode active material layer. Thereafter, the negative electrode active material layer formed on the current collector was pressure-molded by a roller press, and heat-treated at 350 ° C. for 3 hours in a vacuum to obtain a negative electrode having an active material layer thickness of 22 μm.
＜評価用リチウムイオン二次電池の作製＞
上記で作製した負極と、正極として銅箔にリチウム金属箔を貼り付けた対極とを、それらの間にポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを挟んでアルミラミネートパックに入れ、このアルミラミネートパックに、電解液として１ＭのＬｉＰＦ６溶液（溶媒：ＥＣ／ＤＥＣ＝３／７（体積比））を注入した後、真空シールし、評価用のリチウムイオン二次電池を作製した。
<Production of evaluation lithium-ion secondary battery>
The negative electrode produced above and a counter electrode made by bonding a lithium metal foil to a copper foil as a positive electrode are placed in an aluminum laminate pack with a separator made of a polyethylene microporous film interposed therebetween, and the aluminum laminate pack is electrolyzed. After injecting a 1M LiPF 6 solution (solvent: EC / DEC = 3/7 (volume ratio)) as a liquid, vacuum sealing was performed to produce a lithium ion secondary battery for evaluation.
＜初期充放電効率の測定＞
実施例及び比較例で作製した評価用リチウムイオン二次電池について、室温において二次電池充放電試験装置（北斗電工株式会社製）を用い、電圧範囲を０．００５Ｖから２．５Ｖまでとし、１Ｃ＝１６００ｍＡ／ｈとして０．０５Ｃでの電流値で充放電を行った。これにより、初期充電容量、初期放電容量及び初期効率を求めた。なお、初期効率（％）は、初期充電容量に対する初期放電容量の割合（１００×初期放電容量／初期充電容量）である。この初期効率が高いほど、不可逆容量が低減されており、優れたドーピング効率が得られていることを意味する。表１に記載された初期放電効率比は、比較例２の初期放電効率を１００％としたときの実施例１の結果となり、比較例１，２に比べて良好な結果であることが判明した。
<Measurement of initial charge / discharge efficiency>
About the lithium ion secondary battery for evaluation produced by the Example and the comparative example, a secondary battery charge / discharge test apparatus (made by Hokuto Denko Co., Ltd.) was used at room temperature, and the voltage range was 0.005V to 2.5V. Charge / discharge was performed at a current value of 0.05 C at 1600 mA / h. Thereby, initial charge capacity, initial discharge capacity, and initial efficiency were obtained. The initial efficiency (%) is the ratio of the initial discharge capacity to the initial charge capacity (100 × initial discharge capacity / initial charge capacity). The higher the initial efficiency, the lower the irreversible capacity, which means that excellent doping efficiency is obtained. The initial discharge efficiency ratio shown in Table 1 was the result of Example 1 when the initial discharge efficiency of Comparative Example 2 was set to 100%, and was found to be a better result than Comparative Examples 1 and 2. .
［実施例２］
実施例１のビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドリチウムを安定化リチウム粒子の重量に対して１．０重量％添加した以外は同様の方法を用いて実施例２に記載される初期放電効率比を求め、比較例に比べて良好であることがわかった。
[Example 2]
The initial discharge efficiency ratio described in Example 2 was determined using the same method except that 1.0% by weight of bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium of Example 1 was added with respect to the weight of the stabilized lithium particles. It was found to be better than the comparative example.
［実施例３］
実施例１のビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドリチウムを安定化リチウム粒子の重量に対して３．０重量％添加した以外は同様の方法を用いて実施例３に記載される初期放電効率比を求め、比較例に比べて良好であることがわかった。
[Example 3]
The initial discharge efficiency ratio described in Example 3 was obtained using the same method except that 3.0% by weight of bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium of Example 1 was added with respect to the weight of the stabilized lithium particles. It was found to be better than the comparative example.
［実施例４］
実施例１のビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドリチウムを安定化リチウム粒子の重量に対して５．０重量％添加した以外は同様の方法を用いて実施例４に記載される初期放電効率比を求め、比較例に比べて良好であることがわかった。
[Example 4]
The initial discharge efficiency ratio described in Example 4 was determined using the same method except that 5.0% by weight of bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium of Example 1 was added to the weight of the stabilized lithium particles. It was found to be better than the comparative example.
［実施例５］
実施例３のビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドリチウムに変えて文献記載の方法で合成した（Ｃａｎａｄｉａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１９９４，ｖｏｌ．７２，９ｐ．１９３３-１９６０）リチウムジメチルホスフェートをリチウム塩として用いた以外は実施例３と同様の方法で初期放電効率比を求め、比較例に比べて良好であることがわかった。
[Example 5]
The bis (trifluoromethanesulfonyl) imidolithium of Example 3 was synthesized by a method described in the literature (Canadian Journal of Chemistry, 1994, vol. 72, 9p. 1933-1960) except that lithium dimethyl phosphate was used as the lithium salt. Obtained the initial discharge efficiency ratio in the same manner as in Example 3, and was found to be better than the comparative example.
［実施例６］
実施例３のビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドリチウムに変えて表１の実施例６に記載するリチウム塩として用いた以外は実施例３と同様の方法で初期放電効率比を求め、比較例に比べて良好であることがわかった。
[Example 6]
The initial discharge efficiency ratio was determined in the same manner as in Example 3 except that the lithium salt described in Example 6 of Table 1 was used instead of bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium in Example 3, and compared with the comparative example. It was found to be good.
［実施例７］
実施例３のビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドリチウムに変えて表１の実施例７に記載するリチウム塩として用いた以外は実施例３と同様の方法で初期放電効率比を求め、比較例に比べて良好であることがわかった。
[Example 7]
The initial discharge efficiency ratio was determined in the same manner as in Example 3 except that the lithium salt described in Example 7 of Table 1 was used instead of bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium in Example 3, and compared with the comparative example. It was found to be good.
［実施例８］
実施例３のビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドリチウムに変えて表１の実施例８に記載するリチウム塩として用いた以外は実施例３と同様の方法で初期放電効率比を求め、比較例に比べて良好であることがわかった。
[Example 8]
The initial discharge efficiency ratio was determined in the same manner as in Example 3 except that the lithium salt described in Example 8 of Table 1 was used instead of bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium in Example 3, and compared with the comparative example. It was found to be good.
［実施例９］
実施例３のビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドリチウムに変えて表１の実施例９に記載するリチウム塩として用いた以外は実施例３と同様の方法で初期放電効率比を求め、比較例に比べて良好であることがわかった。
[Example 9]
The initial discharge efficiency ratio was determined in the same manner as in Example 3 except that the lithium salt described in Example 9 of Table 1 was used instead of bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium in Example 3, and compared with the comparative example. It was found to be good.
［実施例１０］
実施例３のビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドリチウムに変えて表１の実施例１０に記載するリチウム塩として用いた以外は実施例３と同様の方法で初期放電効率比を求め、比較例に比べて良好であることがわかった。
[Example 10]
The initial discharge efficiency ratio was determined in the same manner as in Example 3 except that the lithium salt described in Example 10 of Table 1 was used instead of bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium in Example 3, and compared with the comparative example. It was found to be good.
［実施例１１］
実施例３のビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドリチウムに変えて表１の実施例１１に記載するリチウム塩として用いた以外は実施例３と同様の方法で初期放電効率比を求め、比較例に比べて良好であることがわかった。
[Example 11]
The initial discharge efficiency ratio was determined in the same manner as in Example 3 except that the lithium salt described in Example 11 of Table 1 was used instead of bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium in Example 3, and compared with the comparative example. It was found to be good.
［実施例１２］
実施例３のビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドリチウムに変えて表１の実施例１２に記載するリチウム塩として用いた以外は実施例３と同様の方法で初期放電効率比を求め、比較例に比べて良好であることがわかった。
[Example 12]
The initial discharge efficiency ratio was determined in the same manner as in Example 3 except that the lithium salt described in Example 12 of Table 1 was used instead of bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium in Example 3, and compared with the comparative example. It was found to be good.
［比較例１］
複合粉末を用いずに安定化リチウム粒子のみを用いた以外は実施例３と同様の方法で、表１に記載した初期放電効率比を求め、実施例に比べて劣る結果が得られた。これは被膜がプレドープ時に障壁となりリチウムの負極との反応を妨げられたことで、放電容量の低下や面内のプレドープのバラつきが起こったためと考えられる。
[Comparative Example 1]
The initial discharge efficiency ratio described in Table 1 was obtained in the same manner as in Example 3 except that only the stabilized lithium particles were used without using the composite powder, and a result inferior to that of the example was obtained. This is presumably because the film became a barrier during pre-doping and prevented the reaction with the negative electrode of lithium, resulting in a decrease in discharge capacity and in-plane pre-doping variations.
［比較例２］
複合粉末を用いずにビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドリチウムのみを用いた以外は実施例３と同様の方法で、表１に記載した初期放電効率比を求めた結果、実施例に比べて劣る結果が得られた。安定化リチウム粒子がないことでプレドープが行われないために初期放電容量が低い結果となり、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドリチウムのみでは効果がないことが判明した。
As a result of obtaining the initial discharge efficiency ratio described in Table 1 in the same manner as in Example 3 except that only bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium was used without using the composite powder, the result was inferior to that in Example. was gotten. The absence of stabilizing lithium particles resulted in a low initial discharge capacity because no pre-doping was performed, and it was found that bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium alone was ineffective.
１…安定化リチウム粒子、２…リチウム塩、１０…正極、１２…正極集電体、１４…正極活物質層、１８…セパレータ、２０…負極、２２…負極集電体、２４…負極活物質層、３０…積層体、５０…外装体、６２…正極リード、６０…負極リード、１００…リチウムイオン二次電池
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